1985-2006年中国陆地生态系统生产力模拟研究

论文摘要

陆地生态系统碳循环作为全球碳循环的重要环节,它在全球变化中有着非常重要的意义和作用,是全球变化研究中的焦点之一。随着陆地生态系统碳循环模型的发展,促使人们对陆地生态系统碳通量有了更深入的认识,利用各种模型对生态系统生产力进行研究,已成为当今生态学研究中的重点内容之一。为估算我国陆地生态系统净初级生产力和净生态系统生产力的时空格局及不确定性,本研究利用马尔可夫链-蒙特卡罗方法,利用ChinaFLUX八个站点基于涡度相关技术测定的通量数据对CASA模型中的关键参数——最大光能利用率进行优化,利用优化后的CASA模型对1985-2006年中国陆地生态系统净初级生产力和净生态系统生产力进行模拟,并定量分析平衡态设定和参数的不确定性对模拟结果的影响。通过研究主要得到以下结论：（1）在CASA模型参数敏感性分析中,通过局部灵敏度方法对模型中的关键参数进行敏感性分析,明确各个参数的敏感性,为参数优化提供依据。模型中最为敏感的参数为：最大光能利用率、NDVI最大值、茎分配系数不变时叶的分配系数以及茎分配系数不变时根的分配系数。（2）对最大光能利用率进行优化的研究结果表明,各生态系统的最大光能利用率的后验估计均呈近似正态分布,森林、农田、草地的最大光能利用率分别为0.60±0.05～0.8１±0.05gCMJ-１、1.43±０.13gCMJ-１.０.20±０.03gCMJ－１。.利用优化后的最大光能利用率模拟2005-2006年各生态系统初级生产力,其结果与参数优化前的结果相比更接近观测值,有效改善了原模型对生态系统初级生产力的低估。（3）利用优化后的最大光能利用率对中国1985-2006年中国陆地生态系统净初级生产力和净生态系统生产力进行模拟。结果表明,1985-2006年间我国陆地生态系统净初级生产力的多年平均值为2.94Pg C a-1，,较之未进行参数优化前的模拟结果（1.93Pg C a"）高出53.4%；净生态系统生产力的多年平均值则为0.088Pg C a-1,比参数优化前的模拟结果高76%。（4）定量分析了中国陆地生态系统生产力模拟结果的不确定性,包括参数引起的不确定性以及平衡态设置引起的不确定性两方面内容。通过对结果及运算时间的对比,本研究认为利用研究年份多年平均气候数据驱动模型,并将迭代次数设置为3000次,模型模拟结果较合理。以NPP为例对模型模拟结果的不确定性研究可以看出,对于NPP估计值最高生态系统类型,其后验估计的不确定性也最大。由于陆地生态系统的复杂性,在今后的研究中,如何更好地开展异养呼吸参数的估计并综合提高模型模拟的精度,仍是一个有待深入探讨的问题。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究进展和趋势
• 1.2.1 陆地生态系统碳循环的基本概念
• 1.2.2 陆地生态系统碳循环模型研究进展
• 1.2.3 我国陆地生态系统生产力的模拟研究进展
• 1.2.4 CASA模型的发展及其应用研究进展
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 研究数据与方法
• 2.1 CASA模型
• 2.1.1 净初级生产力
• 2.1.2 异养呼吸（Rh）
• 2.2 研究数据及其处理
• 2.2.1 CASA模型输入数据
• 2.2.2 用于优化CASA模型参数的观测数据
• 2.3 参数敏感性分析方法
• 2.4 参数优化方法
• 2.4.1 马尔科夫链—蒙特卡罗方法
• 2.4.2 最小二乘法
• 2.5 研究站点简介
• 3 CASA模型参数的敏感性分析
• 3.1 CASA模型参数简介
• 3.2 站点尺度的参数敏感性分析——以长白山温带阔叶红松林为例
• 3.3 全国尺度的参数敏感性分析
• 3.3.1 全国尺度参数敏感性分析
• 3.3.2 全国尺度与站点尺度结果对比
• 3.4 本章小结
• 4 基于ChinaFLUX通量数据的最大光能利用率的优化
• 4.1 最大光能利用率的优化结果
• 4.2 最大光能利用率优化结果与其他研究的比较
• 4.3 参数优化后模拟结果的验证
• 4.3.1 各站点GPP参数优化前后模拟值与观测值季节变化趋势
• 4.3.2 各站点NEP参数优化前后模拟值与观测值季节变化趋势
• 4.4 禹城站不同作物参数优化
• 4.5 各站点模拟结果不确定性分析
• 4.6 本章小结
• 5 中国陆地生态系统净初级生产力和净生态系统生产力的模拟
• 5.1 NPP时空分布
• 5.1.1 NPP年际变化
• 5.1.2 NPP年季节变化
• 5.1.3 NPP空间分布特征
• 5.1.4 不同土地覆盖类型NPP特征
• 5.2 NEP时空分布
• 5.2.1 NEP时间变化趋势
• 5.2.2 NEP空间分布特征
• 5.3 Rh时空分布
• 5.3.1 Rh时间变化趋势
• 5.3.2 Rh空间分布特征
• 5.4 本章小结
• 6 中国陆地生态系统生产力模拟结果的不确定性分析
• 6.1 平衡态假设对模拟结果的影响
• 6.1.1 平衡态假设对NPP模拟结果的影响
• 6.1.2 平衡态假设对NEP模拟结果的影响
• 6.1.3 平衡态假设对Rh模拟结果的影响
• 6.2 不同平衡态假设下模拟结果之间的差异
• 6.2.1 不同平衡态假下NEP模拟结果之间的差异
• 6.2.2 不同平衡态假下Rh模拟结果之间的差异
• 6.3 不同平衡态假设对NPP、NEP、Rh标准差的影响
• 6.4 参数估计误差引起的NPP模拟结果的不确定性分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论及展望
• 7.1 本研究的主要结论
• 7.2 本论文的创新点
• 7.3 本研究的不足和展望
• 7.3.1 其他相关参数的研究与优化
• 7.3.2 典型植被类型的选取
• 参考文献
• 致谢
• 个人简况